优化后张箱梁桥具有特殊引用使用高强混凝土使用AASHTO LRFD方法

文摘

与联邦公路Administration-mandated LRFD规范的实施,许多国家交通部(点)已经开始实施由AASHTO LRFD规范。LRFD规范的许多方面是由点和被调查人员为了无缝实现设计和分析的目的。介绍了调查后张箱梁桥的设计几个方面设计的LRFD规范使用常规或高强度混凝土(HSC)。计算机电子表格应用程序是专门为这次调查发达。它能够分析、设计和成本评估的上层建筑现浇后张箱梁桥。后张箱形梁的优化设计是可行的设计变量的正确选择。上层建筑的成本评估不同的几何和材料配置导致优化设计图表的开发这些类型的上层建筑。变量用于开发这些图表包括等,跨度长度、截面深度、web间距,肌腱概要,混凝土强度。是观察HSC使大大延长寿命长度的成就和/或更长时间web间隔使用普通强度混凝土时,那是不可能完成的。

1。介绍

美国州国家公路运输官员协会(AASHTO)标准规范1)一直是主要的桥梁设计规范自1940年代在美国。在过去的二十年里,已经有了重大进展在混凝土桥梁设计方法和利用新型混凝土材料。负载和阻力系数设计的实现(LRFD)和高强度的使用/高性能混凝土(HSC / HPC)调查的主题很重要。状态点增加了HPC的使用/ HSC的混凝土和实现AASHTO LRFD规范(2]。LRFD是基于结构分析的最新发展和材料,以确保所需的可服务性和终极行为,安全,美观,和经济。它受益的宝贵的经验AASHTO容许应力设计(ASD)和负荷系数设计(最晚完成日期)方法,自1940年代以来一直在使用,包括标准规范。

这个新规范导致设计程序方法早些时候相比明显不同。新的LRFD规范是基于概率方法的负载和阻力因素是基于一个特定水平的结构失效(3]。新的LRFD设计方法的变化和挑战桥梁工程师非常重要与标准规范工作多年。

在目前的工作,详细的调查进行就地浇铸的不同方面(CIP)后张箱形梁桥梁。其中包括这两个设计的一般比较规范,利用高强混凝土后张预应力箱梁的和基于成本的优化设计桥梁。开发一个全面的电子表格可以让用户输入几乎所有必要的设计参数和执行分析,设计和成本估算后张箱梁桥的上部结构根据AASHTO标准和LRFD规范。一份计划获得通过联系作者。

2。设计的比较

不同的设计参数进行了研究的比较新的LRFD和老AASHTO标准规范。这些包括活载弯矩和剪切力信封,服务和考虑弯曲和剪切信封,折弯能力,时刻和剪力分布因素,预应力损失,设计预应力束的数量,和上层建筑成本。

2.1。活载和负载组合的时刻

LRFD hl - 93活载本身明显比标准HS-20重加载,但这种差异会部分抵消的引入全新的活载荷分布方法,服务,和极限荷载因素。图1显示了hl - 93活载弯矩信封和HS20(活载+影响效果),计算是基于整个截面,55米(180英尺)单拱桥箱形梁与八网间隔为2.75米(9英尺)。根据图,一个近似增加70%的时刻与LRFD观测hl - 93活载。

当生活和死亡的综合效应加载被认为是,两个不同的服务负载组合(服务我和服务II)用于LRFD方法容许压应力和拉应力时需要检查在预应力混凝土构件。图2(一个)比较这三个案例中,显示时刻LRFD方法非常接近标准规范(大约9%和4%的增加服务I和II,职责)。(我)标准规范的服务戴斯。莱纳姆:+ (噢+我)。(2)LRFD服务我戴斯。莱纳姆:+ (噢+我比标准),增加9%的时刻。(3)第三LRFD服务戴斯。莱纳姆:+ 0.8 (噢+我比标准),增加4%的时刻。

这是因为生活比死小得多负荷混凝土桥,和LRFD分布系数较小。这些将大大抵消的效果大LRFD hl - 93活载。标准设计的最终时刻信封组合和LRFD规范也比较,结果如图所示2 (b)。以下显示了荷载组合:(我)标准规范最晚完成日期组合:,(2)LRFD荷载组合:增加(大约4%)。

根据上面的公式,标准设计方法给出了较高的负载因素和smaller-distribution因素LRFD相比。这些将大大抵消的效果更高LRFD hl - 93活载。

2.2。活载和负载组合剪切机

在活载剪,看到LRFD给更高的剪切力(高达180%的标准规范),如图3(一个)。这是因为LRFD剪力分布系数明显大于标准的规范。考虑剪比较图3 (b),图中显示了一个大约增加30% LRFD规范的使用。

2.3。分布的因素

活载荷分布是最重要的因素之一,桥梁设计和评估现有的桥梁,它已经设计了几十年的基础。标准设计规范和LRFD规范包含简化方法计算活载的影响。新规范认为等结构性能的桥面梁间距、数量的细胞,和跨度,例子所示(1)和(2)LRFD和标准,分别显示了多少跨度影响因素。 在哪里跨度,英国《金融时报》,梁间距,英国《金融时报》,细胞的数量,是梁的数量(),跨度,英国《金融时报》,然后呢梁间距,英国《金融时报》。

活载荷分布是最重要的因素之一,对桥梁设计桥梁和现有桥梁的评估,并设计了几十年的基础。标准设计规范和LRFD规范包含简化方法计算活载的影响。广泛的研究工作进行了现场载荷分布的因素和简化方程(4- - - - - -10]。

巴尔et al。4]弯曲荷载分布的因素进行了评估一系列的预应力混凝土箱梁梁桥梁。一个桥的反应在他们的工作,测量静活载试验期间,被用来评估方案有限元模型的可靠性。Bishara et al。5]研究分布因子表达式轮载荷分布对multisteel的内外主梁混凝土梁组合中等跨度的桥梁。根据工作,得到分布因子表达式给值,通常远低于当前AASHTO值,特别是对于斜交桥梁。在国家公路合作研究项目592年(砂浆)报告(9),提供活载荷分布研究方法比目前LRFD方法简单,和数以百计的桥梁进行了分析与有限元分析和简化方法。LRFD方程是基于砂浆材料开发项目12-26 [10]在现代桥梁设计和影响广泛的变化。

分布与跨度变化的因素的比较中可以看到图4。如图,LRFD预测显著降低值与跨度增加减少,而标准规范给出了一个更高的价值独立于跨度。

2.4。预应力钢比较

正如前面所讨论的,LRFD活载(hl - 93)本身显著大于相比,标准规范的活荷载(HS20)。预应力设计的成员,它被认为是在LRFD只有80%的活载+影响其服务三世荷载组合(也见图2)。这只指定荷载组合设计的预应力成员时需要检查混凝土的拉应力。为例,设计为同一桥链使用这两种方法都显示在图5(一个)。所需的LRFD链显示的数量无显著差异与获得的标准规范。这是检查不同的梁的几何图形和跨度的长度。也观察到所需的额外的钢链LRFD约为3 - 4%相比标准规范。

2.5。预应力损失

除了新配方的预应力损失由于弹性缩短LRFD-C5.9.5.2.3b [2),其他损失计算保持不变。图5 (b)显示了最终的预应力损失的比较,最后损失预测的LRFD大约有6%超过损失预测的标准规范。

2.6。时刻的能力

时刻能力计算按照标准规范和LRFD。相同的标准配方用于LRFD规范矩形部分。其他参数前面提到的有轻微的影响和由此产生的力矩能力非常接近如图5 (c)。

2.7。上层建筑成本

上层建筑成本后张现浇混凝土箱形梁计算是基于最近的类似项目的成本估计在亚利桑那州。类似span-to-depth比率,web和底部板厚度和增援部队被用于两种方法。设计参数的差异似乎是链的数量和甲板增援。甲板强化LRFD引入了两种设计方法,和传统的方法在本文中使用略低的钢筋。在两种方法中,标准规范的总成本是当使用LRFD(图略低6)。

3所示。网络空间

网络空间是一个重要的参数影响其他设计变量如下:(我)分布因子(DF)直接依赖于一个值(S)两种方法,正如如图7弯矩分配因素,LRFD预测小于标准(见(1)和(2));(2)前板(甲板)厚度和配筋都是依赖于web间距;(3)上层建筑重量是根据网的数量和平板厚度;(iv)预应力钢筋面积和上层建筑成本依赖于网络空间。

研究网络间距对其他参数的影响,45.7米(150英尺)的箱形梁跨度的长度和持续宽度30.5米(100英尺)被认为是。web间距变化从1.83到5.18米(6 - 17英尺)。对于每个案例,甲板厚度、甲板钢筋和预应力束的设计。

3.1。最佳Web间距

箱形梁的最优网络间距被认为是上层建筑的间距成本最小化。上层建筑决定是基于成本在亚利桑那州最近的类似项目的成本估计。在设计过程中,设计约束如肌腱的最大数量和每个肌腱被认为是链的最大数量。其他设计各自的规范设定的限制也被视为一个约束。网络和底板厚度被认为是30.5厘米(12)和(6)15.2厘米,分别对所有设计案例。的主要变量是web间距,这将影响到前板深度、前板钢,整体重量,预应力钢和剪力钢筋。见数据8(一个)和8 (b),两个跨度的长度45.7米(150英尺),54.9米(180英尺)被认为是为优化过程。在这两种情况下,可以观察到一个最小值点在曲线上对应于最优网络间距。150英尺的跨度使用LRFD方法,最优间距约为3.35 m(11英尺)(见图8(一个))。标准规范,稍微的最佳距离。考虑到180英尺(图8 (b)),0最小值点还不是很明显,因为它是在前面的情况。虽然这个地区的曲线,而平,最佳间距约3.66米(12英尺)仍然可以观察到。

4所示。利用高强度混凝土箱梁

高强度的优势/高性能混凝土(HSC / HPC)在过去的25年里已经被很好地记录下来了。大多数的研究在这一领域地址HPC的重要性/ HSC改善混凝土耐久性、物理性能(强度、蠕变、收缩等)和混凝土强度能力当用作结构元件(11,12]。的确,混凝土质量差和缺乏耐久性而非结构性问题导致大多数损害混凝土结构。迈尔斯和杨13)提供一个全面的参考列表在这一领域的研究。一些结构特点可以提高利用率和/或节省开支的高强混凝土(11]。这些结构特点是那些明显依赖于混凝土强度。

4.1。对预应力钢HSC的影响

所需数量的预应力钢取决于混凝土的抗压和抗拉强度。许用压应力是直接依赖于混凝土强度,,而容许拉应力与混凝土抗压强度的平方根成正比。计算,认为混凝土的抗压强度在转移85%的最后指定的力量。LRFD服务三世荷载组合(申请具体紧张),使用更高的混凝土强度是非常有用的,为设计工程师提供了更大的灵活性来控制压力范围内实际限制(使用特定的梁几何,web间距,肌腱概要文件,等等)。同样,释放条件,提高混凝土强度是非常有用当LRFD拉伸和压缩应力限制需要检查。图9(一个)显示了链的数量随混凝土强度的增加而LRFD总是需要稍微链。特殊情况考虑,每一个近似7 MPa (1 ksi)提高混凝土强度,节省20股被观察到。

4.2。最终弯曲能力

受弯构件的弯曲能力是对混凝土抗压强度不敏感。它主要是依赖于有效的深度和部分钢铁的用量。的力量从24到35 MPa(3.5到5 ksi),增加一些时刻可以看到(图的能力9 (b))两种方法。考虑到计算过程,观察到的低强度范围内,压缩带的形状(时刻容量计算)转换从一个“”一个矩形。LRFD引入了一个新的配方的中性轴深度””部分获得弯曲能力。混凝土的优点超过38 MPa (5.5 ksi),目前产能明显不会改变。这是观察到有一个小减少(大约1%)与混凝土强度的增加弯曲能力从35到70 MPa(5到10 ksi)。减少的原因是,尽管混凝土强度增加,链的设计的数量有轻微的减少进而将减少容量。

此外,链的数量保持不变,观察混凝土强度的影响。混凝土强度的变化从35到70 MPa(5到ksi)将增加盒子的时刻能力部分仅为4%,这仍然是微不足道的。原因是通过提高混凝土强度,受压区将略有减少的深度相同的压缩力(等于钢拉伸力)。因此,我们不能仅仅依赖于混凝土强度提高的弯曲能力部分。

这里值得注意的是,通过使用混凝土强度更高,事实上混凝土的压缩应变能力将增加(大约从0.3%到0.5%)。这是一个很好的优势,它提供了更多的旋转能力(因此,延性)部分虽然目前能力是相同的。

4.3。预应力损失

在几个预应力损失,只有弹性缩短和锚设置依赖于混凝土弹性模量,可以改善当使用高强度混凝土。混凝土强度的影响目前还没有被认为是在蠕变和收缩的混凝土,这是最重要的两个时间参数。应该提到一个更高的混凝土强度在预应力成员可能显著降低其影响。图9 (c)显示在最后的预应力混凝土强度损失的影响。

4.4。开裂的时刻

开裂时间取决于混凝土的抗拉强度,这是抗压强度的影响。增加了5%在开裂的时刻可能预测混凝土的优势改变从35到70 MPa(5到10 ksi)(见图9 (d))。

4.5。上层建筑成本

上层建筑的成本将影响高强混凝土的使用。高强度的钢筋混凝土成本增加的速度是高于传统的混凝土(图10)。因为没有一个高生产能力高强混凝土目前,预期成本增加可能是重要的。近似成本增加可以至少32美元/ m²(3美元/英国《金融时报》²)的上层建筑的强度增加7 MPa (1 ksi)。这些成本的增加可能不仅是合理的结构改进。考虑到固有的耐久性改善使用高强混凝土时,将会有重大项目的长期储蓄。这也是见过的,上层建筑成本LRFD略低于标准的规范。主要原因是减少甲板与LRFD钢计算。

4.6。提高混凝土强度的跨度

预应力混凝土设计的过程中,高强度混凝土的最有益的效果将是其较高的抗拉强度在使用LRFD第三服务我和服务负载组合。在本部分中,所有的参数都保持不变,除了混凝土强度和跨度的长度。图11显示了混凝土强度的能力的桥梁跨度、和表1摘要跨长度、混凝土强度和数量的链。表中的前两行显示为51.2米(168英尺)的跨度和27.5 MPa (4 ksi)混凝土,850股是必需的。如果我们保持相同数量的链,提高混凝土强度62 MPa (9 ksi),跨度可以增加到55米(180英尺)。比较第二和第三行显示,设计将需要60股少如果使用62 MPa (9 ksi)混凝土代替28 MPa (4 ksi)。股数量的减少是非常有利于条件的最大数量每腱股成为控制因素。

5。Span-to-Depth比率

一般来说,span-to-depth比率为0.045是用于简单的跨度箱梁混凝土。根据经验,看来,这一比率的使用将确保挠度的控制。在这个调查的一部分,上层建筑成本观察不同span-to-depth比率。因为它是如图12,最低的成本比率为0.05。例如跨度(150英尺),这意味着额外的深度23厘米(9)将导致节省近100股。

6。结论

单拱桥悬臂箱梁后张根据标准和LRFD规范进行了分析和设计。主要目标是比较所有设计参数使用论文规范并执行一些详细的参数研究科目,如箱梁截面的几何优化和结构利用高强度混凝土(HSC)。比较表明,尽管生活负荷显著增加,其他设计参数(分布的因素、负载因素,设计方法)是观察如下:

比较的标准和LRFD规范
(1)LRFD设计需要稍微(大约4%)预应力钢比标准规范。
(2)预测剪切由混凝土使用LRFD方法时显著降低。这将导致更大的箍筋要求。
(3)最后预应力损失为LRFD方法高出约7%。
(4)上层建筑成本略低LRFD由于引入甲板板时刻计算的新方法。

最佳Web(梁)的间距
(5)成本分析和比较表明,当改变梁间距,总有一个最低上层建筑成本。相关的梁间距最小成本可以被视为最佳间距。
(6)最优网络间距可以基于最小成本。发现箱梁桥的跨度长度46 - 55米(150 - 180英尺),最优网络间距是3.35到3.66 m(11到12英尺)。

高强混凝土的结构性影响
(7)提高混凝土强度为设计师提供了极大的灵活性,利用特定的梁截面的最大工作负载能力。这种优势可能会导致更大的跨度,小股的数量,或更广泛的web间距相同的部分。
(8)使用较高的混凝土强度将降低最终预应力损失和链的数量。时刻能力对混凝土强度不敏感,除了低优势(少于31 MPa (4.5 ksi))。
上层建筑(9)预期成本增加约32美元/ m²(3美元/英国《金融时报》²)为每个7 MPa (1 ksi)混凝土强度的增加。

Span-to-Depth比率
(10)相比LRFD-recommended深度/跨度比为0.045,这是观察到,0.05是更划算的比例略高。

引用

1. AASHTO,标准规范公路桥梁美国AASHTO,华盛顿,17日版,2002年。
2. AASHTO,AASHTO LRFD桥梁设计规范2007年版和2008年附录,AASHTO LRFD,华盛顿特区,美国,2007年。
3. a . s .诺瓦克“校准LRFD桥代码,”土木结构工程杂志》上,卷121,不。8,1245 - 1251年,1995页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. p . j .巴尔·m·o·埃伯哈德和j·f·斯坦顿,“预应力混凝土梁桥梁活载分布因素。”第3期杂志的桥梁工程》第六卷,没有。5,298 - 306年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. a·g·Bishara m . c . Liu和n . d . El-Ali”轮载荷分布对简支斜工字梁组合桥梁,”土木结构工程杂志》上,卷119,不。2、399 - 419年,1993页。视图:谷歌学术搜索
6. r·纳特诉t Zokaie, r . a . Schamber”轮载荷分布在公路桥梁,砂浆材料项目。不。12-26、国家公路合作研究项目,民国,华盛顿特区,美国,1987年。视图:谷歌学术搜索
7. t . Zokaie“AASHTO-LRFD负载分配规范生活,”第3期杂志的桥梁工程,5卷,不。2、131 - 138年,2000页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. t . Zokaie t . a . Osterkamp, r . a . Imbsen”轮载荷分布在公路桥梁,交通研究创纪录的1290,华盛顿特区的美国,1991年。视图:谷歌学术搜索
9. 桥科技有限公司”,592年砂浆材料报告:简化生活载荷分布系数方程,“交通研究委员会,国家研究理事会,华盛顿特区,2007年美国。视图:谷歌学术搜索
10. 桥科技有限公司”,砂浆材料报告12-26:简化生活载荷分布系数方程,“交通研究委员会,国家研究理事会,华盛顿特区,2006年美国。视图:谷歌学术搜索
11. z . p . Bazant和l . Panula蠕变和收缩特性分析预应力混凝土结构,”Journal-Prestressed混凝土研究所,25卷,不。3、86 - 122年,1980页。视图:谷歌学术搜索
12. s·h·艾哈迈德和s . p .沙”,高强度混凝土的结构特性及其对预制预应力混凝土的含义,“Journal-Prestressed混凝土研究所,30卷,不。6,92 - 119年,1985页。视图:谷歌学术搜索
13. j·j·迈尔斯和杨y”,实际问题的应用高性能混凝土公路结构,”第3期杂志的桥梁工程》第六卷,没有。6,613 - 627年,2001页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2012张Byungik et al。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。